[論文レビュー] Cosmology with the Large Synoptic Survey Telescope

Hu Zhan, J. A. Tyson|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 152被引用数 5

ひとこと要約

LSSTは、6つの光学フィルタ（ugrizy）を用いて18,000平方度を深く、広く、速やかに調査する10年間の調査を実施し、各スカイパッチに800回の観測を実施することで、r〜27.5の合成深度に達する。このデータは、大規模構造、弱引力レンズ、Ia型超新星、銀河団、強引力レンズといった多様な宇宙論的プローブを駆使し、宇宙背景放射データと組み合わせることで、ダークエネルギーおよび宇宙論的モデルに対するきわめて厳密な制約を提供する。

ABSTRACT

The Large Synoptic Survey Telescope (LSST) is a high etendue imaging facility that is being constructed atop Cerro Pachon in Northern Chile. It is scheduled to begin science operations in 2022. With an 8.4m (6.5m effective) aperture, a three-mirror design achieving a seeing-limited 9.6deg^2 field of view, and a 3.2 Gigapixel camera, the LSST has the deep-wide-fast imaging capability to carry out an 18,000deg^2 survey in six passbands (ugrizy) to a coadded depth of r~27.5 over 10 years using 90% of its observational time. The remaining 10% will be devoted to deeper and faster time-domain observations and smaller surveys. In total, each patch of the sky in the main survey will receive 800 visits allocated across the six passbands with 30s exposure visits. The huge volume of high-quality LSST data will provide a wide range of science opportunities and open a new era of precision cosmology with unprecedented statistical power and tight control of systematic errors. In this review, we give a brief account of the LSST cosmology program with an emphasis on dark energy investigations. The LSST will address dark energy physics and cosmology in general by exploiting diverse precision probes including large-scale structure, weak lensing, type Ia supernovae, galaxy clusters, and strong lensing. Combined with the cosmic microwave background data, these probes form interlocking tests on the cosmological model and the nature of dark energy. The LSST data products will be made available to the U.S. and Chilean scientific communities and to international partners with no proprietary period. Close collaborations with coeval surveys observing at a variety of wavelengths, resolutions, depths, and timescales will be a vital part of the LSST science program, which will not only enhance specific studies but also allow a more complete understanding of the universe through different windows.

研究の動機と目的

• LSSTの深く、広く、速やかな画像撮影能力を活用して、LSSTを精密宇宙論の転換的施設として確立すること。
• 多様な観測プローブを用いて、ダークエネルギーおよび宇宙加速の本質に関する根本的問いに答えること。
• 米国、チリ、国際科学コミュニティに対して、特許期間なしに即時かつ開かれたLSSTデータへのアクセスを保証すること。
• 波長、分解能、時間スケールの観点から、同時期の調査と統合することで、相乗効果を生む科学を実現すること。
• 標準宇宙論モデルをきめ細かく検証できる包括的な宇宙論プログラムを構築すること。

提案手法

• 8.4m（有効6.5m）の口径の望遠鏡に32億画素のカメラを搭載し、9.6平方度の視野を有する。10年間の調査を実施し、18,000平方度をカバーする。
• 各スカイパッチに6つのフィルタ（ugrizy）で30秒露光を800回実施することで、rバンドでr〜27.5の合成深度を達成する。
• 3面鏡設計を採用することで、広い視野において見かけの限界解像度に達する画像品質を実現する。
• 2段階の観測戦略を採用：90％の時間はメインの深く広い調査に、残りの10％はより深く、速やかに時間領域および小面積調査に充てられる。
• LSSTデータと宇宙背景放射データを統合し、宇宙論モデルに対する相互に補い合うテストを構築する。
• 波長、分解能、時間スケールの観点から、複数の調査と密接に協力し、科学的範囲と完全性を高める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LSSTの深く、広く、速やかな調査能力を、複数の独立した宇宙論的プローブを通じてダークエネルギーの性質を制約するためにどのように活用できるか？
• RQ2 LSSTデータからの大規模構造および弱引力レンズ測定において、達成可能な統計的パワーとシステム的誤差の制御はどの程度か？
• RQ3 弱引力レンズ、Ia型超新星、銀河団、強引力レンズの制約を統合することで、標準宇宙論モデルの検証はどの程度改善されるか？
• RQ4 開かれた、特許期間なしのデータ公開は、宇宙論的発見をどのように加速させ、複数の調査との連携を可能にするか？
• RQ5 波長および時間スケールの観点から、複数の調査と連携することで、LSST宇宙論プログラムの科学的効果はどの程度向上するか？

主な発見

• LSSTは18,000平方度にわたりr〜27.5の合成深度を提供し、微かで遠方の宇宙論的源の検出を可能にする。
• 各スカイパッチは6つのフィルタで800回の観測を受け、時間領域および光度測定に優れた時間的・光度的分解能を実現する。
• LSSTの広視野・高スルーレート設計により、大規模構造および弱引力レンズの探査において、前例のない統計的パワーが得られる。
• LSSTの多様な宇宙論的プローブと宇宙背景放射データの統合により、宇宙論モデルに対するきめ細かく相互に補い合うテストが形成される。
• 特許期間なしのオープンデータ公開により、科学的インパクトが最大化され、広範なコミュニティ参加が可能になる。
• 波長、分解能、時間スケールの観点から、同時期の調査と連携することで、宇宙論的結果の完全性と解釈可能性が著しく向上する。